三自由度液压机械手机构设计说明书.doc
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1、 题 目 三自由度液压机械手机构设计 摘 要随着工业技术的发展,人工的操作越来越不满足工业生产的要求,因此设计出了机械手。本文简要地介绍了工业机器人的概念,机械手的组成和分类,机械手的自由度和座标型式以及国内外的发展形势。本文以三自由度液压机械手为研究对象,结合理论与生产实际,确定机械手的坐标形式及自由度,并给定出机械手的技术参数。根据确定的手臂的升降,回转,伸缩三个自由度,采用圆柱坐标系,设计了夹钳式手部结构,同时设计了手臂结构做各种运动的驱动结构。在液压传动机构中,机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸,手腕回转采用回转油缸,立柱的转动采用齿条油缸,机械手的升降采用升降油缸,并绘制出相关机构图。关键
2、词: 机械手,圆柱坐标,液压驱动 AbstractWith the development of industrial technology, the artificial operation more and more do not meet the requirements of industrial production, therefore the design of a mechanical hand。This paper briefly introduces the concept of industrial robots, composing and classification
3、 of the manipulator, the degrees of freedom manipulator and the coordinate type as well as the domestic and foreign development situation。In this paper, taking the three DOF hydraulic manipulator as the research object, combines theory with the actual production, identify manipulator coordinates for
4、ms and degrees of freedom, and given out the technical parameters of mechanical hand。According to the determination of the arm of the lift, rotary, telescopic three degrees of freedom, using the cylindrical coordinate system, design of gripper structure, while the design of arm structure to do all k
5、inds of motor driving structure。In the hydraulic drive bodies ,manipulator arm stretching using telescopic tank ,rotating column of tanks used rack ,manipulator movements using tank movements ,the column takes the horizontal movement of tanks,and draw the relevant organization chart。Keywords:mechani
6、cal hand; cylindrical coordinate; fluid power drive 目 录摘 要-Abstract-第一章 前言1.1 工业机器人的简介-1.2 世界的发展现状- 1.3 我国的发展现状- 1.4 本文设计的机械手的参数及概述-第二章 手部结构设计 2.1 概述- 2.2 手部设计的要求- 2.3 手部的选取和设计计算- 第三章 手臂结构设计3.1 概述-3.2 臂部设计的要求-3.3 臂部结构设计- 3.3.1 手臂伸缩运动机构- 3.3.2 手臂升降运动机构- 3.3.3 手臂回转运动机构-3.4 机身的结构设计- 结 论- 谢 辞- 第一章 前言1.1
7、 工业机器人的简介随着工业技术的高速发展,纯人工操作已经越来越跟不上生产需求的步伐,而一些特殊高要求环境的工作,也无法安全的利用人工操作来顺利完成,于是,人们发明了工业机器人。 工业 机 器 人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成,是一种仿人操作,自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃,应用日益
8、广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质
9、量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中,它代替人进行正常的工作,意义更为重大。因此,在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单,专用性较强,仅为某台机床的上下料装置,是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展,制成了能够独立的按程序控制实现重复操作,适用范围比较广的“程序控制通用机械手”,简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序,适应性较强,所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为
10、人们所认识;其一、它能部分代替人工操作;其二、它能按照生产工艺的要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工作的传送和装卸;其三,它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件,显著的提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到各先进工业国家的重视,投入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。1.2 世界的发展现状 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:(1). 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于
11、操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉
12、等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用
13、的领域。1.3 国内的发展现状目前国内外的发展趋势是:1研制有更多自由度的液压机械手,这样机械手就可以变得更加的灵活,从而完成更加多的动作。2研制带有行走机构的机械手,这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。3研制维修维护方便的通用机械手。4研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。5研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置,并配有计算机。根据仿生学的理论,用计算机充当其大脑,使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听,用扬声器作为嘴能说话进行应答,用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊
14、语言对其下达命令,布置任务,使自动化生产线成为智能化生产线。 6机械手的外观达到美观的要求,尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。 7研制具有柔性系统的通用机械手我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用,弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工
15、程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人
16、,6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种;在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 本文设计的机械手的参数及概述 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。执行机构是机械手完成抓取
17、工件,实现各种运动所必需的机械部件。驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置。它由动力装置,调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压驱动,气压驱动,机械传动等,本设计的课题问液压驱动的机械手。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。位置检测装置则控制机械手执行机构的运动位置,并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统,并与设定的位置进行比较,然后通过控制系统进行调整,从而使执行机构以一定的精度达到设定的位置。各系统相互之间的关系如方框图所示: 图1-4 机械手的执行机构常包括手部,臂部,腕部,立柱,机座等。本课题的内容为三自由度液压机械手的设计。由于课题的分工合作,本文主要阐
18、述三自由度液压机械手的机构设计,确定机械手的三个自由度为手臂的升降,手臂的伸缩以及手臂的回转。参照生产实际及理论分析,机构各驱动装置选用夹钳式手部结构液压缸,手臂升降液压缸,手臂回转齿条液压缸,双导向杆手臂伸缩液压缸。 工作范围及技术参数的确定:机械手类型:三自由度圆柱型抓取重量:10kg自由度:3个(升降,回转,伸缩三个自由度)手臂升降行程:100mm手臂升降速度:50mm/s手臂伸缩行程:150mm/s手臂伸缩速度:50mm/s回转度:220角位移速度:110s定位精度:1mm 第二章 手部结构设计 2.1 概 述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件,它具有模仿人
19、手的功能,并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手,它的手指形状也不象人的手指、,它没有手掌,只有自身的运动将物体包住,因此,手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状,尺寸,重量,材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构,它一般可分为钳爪式,气吸式,电磁式和其他型式。 手部作为与工件直接接触的部分,一般是回转型和平移型(多为回转型,因其结构简单),手爪多为两指(也有多指),根据需要分为外抓式和内抓式两种,也可用吸盘式。2.2 手部设计的要求1.具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚
20、度以防折断或弯曲变形,但应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳。2.具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落。3.手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。4.保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”
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